«Фрагменти земної кори, викинуті в космос при ударах великих астероїдів, могли занести життя на супутники Юпітера і Сатурна»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 62

Ріс. 1. Зіткнення великого астероїда з планетою в представленні художника. Малюнок з сайту donaldedavis.com

Удари астероїдів вибивають деяку кількість матеріалу з поверхні Землі і Марса в космос. При цьому частина уламків не падає назад, а залишається в міжпланетному просторі і через деякий час може потрапити на інші тіла Сонячної системи. Згідно з результатами моделювання, виконаного американськими вченими, за останні 3,5 млрд років таким способом на Марс могло потрапити близько 100 млн тонн, а на супутник Юпітера Європу — близько 2000 тонн земного матеріалу, в якому могли опинитися і фрагменти, що підходять для перенесення суперечок мікроорганізмів. Таким чином, припущення про можливість перенесення життя в Сонячній системі отримує нові підтвердження.

Населені тіла Сонячної системи

З початку епохи міжпланетних зондів і до кінця XX століття вважалося, що єдине населене місце в Сонячній системі — Земля, але тепер знаходиться все більше підтверджень того, що це може бути не зовсім так. У Сонячній системі є кілька тіл, де є (або, можливо, були в минулому) відповідні, і навіть комфортні, умови для життя на вуглецево-водній основі. Так, дані досліджень автоматичними зондами свідчать, що на Марсі в минулому були всі необхідні умови для населеності, причому набагато раніше, ніж вони стабілізувалися на Землі (див.: Caleb A. Scharf. Maybe Mars Seeded Earth’s Life, Maybe It Didn’t, August 29, 2013; В епоху Ноя на Марсі була вода, «Елементи», 02.12.2006), а придатні для екстремофілів екологічні ніші могли зберегтися й донині. Щонайменше два тіла в зовнішній частині системи — супутник Юпітера Європа і супутник Сатурна Енцелад — мають крижані поверхні, під якими з великою ймовірністю ховаються резервуари рідкої води. Умови в них (температура, тиск, солоність, наявність поживних речовин) можуть бути вельми схожими на такі в земних океанах (див. також: Новини з Сонячної системи: гейзери на Європі і водяної пар над Церерою, «Елементи», 07.02.2014).

Можлива придатність для життя інших планет і їх супутників ставить ряд серйозних практичних проблем перед дослідниками Сонячної системи. Одна з них — стерилізація міжпланетних апаратів, що відправляються до них із Землі. За існуючими правилами, перед стартом космічні апарати повинні проходити складні і дорогі процедури, щоб очиститися від земних (мікро-) організмів (см. Planetary protection). Особливо важливо це зробити, якщо передбачається контакт з атмосферою або поверхнею досліджуваної планети. Справа в тому, що суперечки бактерій можуть деякий час переносити космічні умови, тобто вони можуть дожити до кінця маршруту і потрапити в сприятливе для себе середовище. У такому випадку відбудеться біологічне зараження іншої планети (див. Interplanetary contamination). Це створить проблеми при пошуках життя або навіть може зруйнувати нативну екосистему (якщо вона є).

Літопанспермія

Теоретично, життя може подорожувати по Сонячній системі не тільки за допомогою супутників і міжпланетних станцій, але і природним шляхом. Гіпотеза про те, що життя може поширюватися між великими тілами у Всесвіті, використовуючи в якості транспорту астероїди, комети та інші дрібні об’єкти, отримала назву панспермія (див. також Panspermia). Щоб уникнути плутанини з «техногенним» способом перенесення життя, для «природної» панспермії іноді використовують термін літопанспермія (Lithopanspermia).

При падінні астероїдів на поверхню планети і утворенні кратера частина матеріалу викидається з нього зі швидкостями, досить високими, щоб подолати тяжіння планети і опинитися на орбіті навколо Сонця. Почавши свою подорож у космічному просторі, ці шматки матеріалу рано чи пізно можуть впасти на інше космічне тіло, наприклад на Землю. Як приклад можна навести метеорит ALH 84001 (рис. 2) та інші марсіанські метеорити, знайдені на поверхні нашої планети. Аналіз їх ізотопного складу, а також мікроскопічних газових включень показує, що він аналогічний складу марсіанського грунту і марсіанської атмосфери (див., наприклад, статтю H. Chennaoui Aoudjehane et al. 2012. Tissint Martian Meteorite: A Fresh Look at the Interior, Surface, and Atmosphere of Mars, в якій описано дослідження метеорита, що впав в Марокко в 2011 році, — Tissint meteorite). Метеорит ALH 84001 був вибитий на геліоцентричну орбіту близько 15 мільйонів років тому, а приземлився в Антарктиді близько 13 тисяч років тому, провівши в космосі півтора десятка мільйонів років. У 1996 році вчені НАСА заявили про виявлення на цьому метеориті мікроскопічних структур, що нагадують скам’янілі бактерії. Втім, у науковому співтоваристві є великий скепсис з цього приводу.

Рис, 2. Марсіанський метеорит ALH 84001 — можливий переносник життя з Марса на Землю. Фото з сайту ru.wikipedia.org

Таким чином, перенесення матеріалу (а, може, і чогось ще…) принаймні з Марса на Землю абсолютно точно відбувається. А чи можливе перенесення матеріалу в зворотному напрямку, з Землі на Марс, та й взагалі між двома будь-якими твердими тілами Сонячної системи? Якщо він можливий, то які його параметри? Прямих доказів існування перенесення немає, тому дослідники використовують обчислювальні методи. Про одне з цих досліджень, виконане нещодавно групою вчених з Відділення астрономії та астрофізики Університету штату Пенсільванія на чолі з Рейчел Уорт (Rachel J. Worth), і буде розказано трохи нижче.

Дослідження літопанспермії можна розділити на декількох окремих питань:

1) Яка частка викинутого при падінні астероїда на планету матеріалу набуває швидкості, що перевищує другу космічну?

2) Які повинні бути умови викиду, перенесення і падіння для того, щоб всередині фрагмента збереглися життєздатні організми?

3) Яка частка викинутого на геліоцентричну орбіту матеріалу падає на інші тіла і скільки часу займає перенесення?

Перші два питання були досліджені в статті C. Mileikowsky et al. 2000. Natural Transfer of Viable Microbes in Space: 1. From Mars to Earth and Earth to Mars, до якої і зверталися автори обговорюваного нижче дослідження. Відповідь на перше питання залежить від багатьох факторів, серед яких ставлення швидкості підлітаючого астероїда до другої космічної швидкості планети і щільність її атмосфери. Наприклад, для Землі мінімальна швидкість падаючого астероїда, необхідна для помітного викиду матеріалу в космос, становить 30 км/с. За оцінками, сумарна маса викинутого (за весь час існування Землі) матеріалу склала 0,02% від маси всіх астероїдів, що падали на Землю. При цьому основна частка викидів із Землі припадає на великі зіткнення, оскільки тільки в них утворюються досить великі фрагменти, щоб їх не загальмувало опір повітря.

Відповідь на друге питання визначається, в основному, розміром вибитого в космос фрагмента. Уламок повинен бути досить великим, щоб у ньому залишилися області, не нагріті вище 100 ° С, і щоб екранувати космічну радіацію. Мінімальний необхідний для захисту від нагріву розмір становить 0,2 м. А ось із захистом від космічного випромінювання складніше. Згідно з розрахунками, в центрі фрагмента діаметром 3 м суперечки екстремофільної бактерії Deinococcus Radiodurans — найбільш стійкого до радіації з усіх відомих мікроорганізмів — можуть проіснувати близько 10 млн років. Прискорення і дія ударних хвиль при викиді практично не є факторами, що становлять небезпеку. Автори одного з досліджень підрахували, що при падінні на Марс астероїда діаметром 200 м, пікові перевантаження для більшості викинутих на орбіту фрагментів будуть мати порядок 300 000 g. Вони ж з’ясували експериментальним шляхом, що бактерії нечутливі до перевантажень до 450 000 g і виживають при дії дуже сильних короткочасних ударних хвиль.

Автори обговорюваної статті перевірили отримані групою Мілейковського оцінки числа викинутих у космос фрагментів породи Землі і Марса. Вийшло, що близько 300 мільйонів фрагментів відповідного розміру було вибито з Землі і близько 600 мільйонів — з Марса за час, що минув з кінця Пізнього важкого бомбардування, тобто за останні 3,5 мільярда років.

Підсумовуючи сказане, можна зробити висновок, що мікроорганізми в принципі здатні пережити і викид з поверхні планети в космос, і, можливо, тривала подорож всередині фрагмента кори, і навіть зіткнення з іншою планетою. Іншими словами, поки не видно теоретичних перешкод до такого способу поширення життя.

Дослідження перенесення між тілами Сонячної системи

Автори спробували відповісти на третє запитання: яка частка викинутого на геліоцентричну орбіту матеріалу падає на інші тіла і скільки часу займає перенесення? Оскільки змоделювати поведінку такого колосального числа об’єктів практично неможливо, вчені прораховували орбіти близько 100 000 фрагментів, викинутих з Землі і Марса, протягом 10-30 мільйонів років після викиду. Було отримано перше досить повне дослідження ймовірностей всіх подій, які можуть статися з фрагментами: падіння на інші планети, падіння назад на вихідну планету, падіння на Сонце, вихід із Сонячної системи і потрапляння на стабільні геліоцентричні орбіти. У початковий момент об’єкти були поміщені випадковим чином на поверхню сфери Хілла своєї планети (наприклад, для Землі радіус сфери Хілла приблизно дорівнює 360 земних радіусів). Початкові швидкості підбиралися так: до орбітальної швидкості планети додавалися поправки, які були розподілені випадково в діапазоні від нуля до трьох швидкостей втікання на такій відстані від планети (для Землі ця швидкість дорівнює 0,58 км/с, для Марса 0,28 км/с). Це не природний розподіл, однак він дозволяє якісно оцінити вплив швидкості викиду на подальшу долю фрагмента.

При розрахунку ділянок орбіти фрагмента, що пролягають далеко від планет, використовувався симплектичний інтегратор (див.: Symplectic integrator), що враховує складні орбітальні резонанси в полі тяжіння Сонця і восьми планет. А якщо фрагмент мав пройти проліт поблизу від планети, симуляція автоматично перемикалася в інший режим для більш точного обчислення подальшої траєкторії з урахуванням тяжіння планети та її супутників. Крім того, для дослідження поведінки фрагментів при близьких прольотах планет-гігантів використовувалися окремі симуляції, в яких фрагменти, що мають випадковий розподіл швидкостей і початкових положень, «поміщалися» на траєкторії підльоту до Юпітера і Сатурна. Ці симуляції дозволили зрозуміти, яка частина фрагментів потрапляє на великі супутники, а яка — на саму планету.

Основні отримані результати представлені на малюнку 3 і в таблиці. Як видно, значна частина фрагментів, «покруживши» на геліоцентричних орбітах, падає назад на вихідну планету. Це й не дивно, адже спочатку «повільні» фрагменти розташовані на орбітах, що мало відрізняються від орбіти рідної планети, і часто підходять до неї близько. Частка фрагментів, що впали назад, становить 40% для Землі і 16% для Марса. Причому велика частина падає назад за перший мільйон років, а потім кількість повертаються на «рідну» планету фрагментів швидко знижується.

Ріс. 3. Розподіл перенесення матеріалу за часом. По горизонталі вказано час перенесення (в млн років), по вертикалі — відсотки від загального числа викинутого матеріалу, для якого перенесення зайняв даний час. Малюнок з обговорюваної статті в Astrobiology

Ці результати дозволяють описати механізм, за яким життя на Землі з’явилося відразу після кінця Пізнього важкого бомбардування. Справа в тому, що не знайдено майже ніяких земних гірських порід старше 3,8 млрд років, що свідчить про крайню суворість цього катаклізму, але вже 3,5-3,8 млрд років тому на Землі було життя. Якщо на планету падає астероїд п’ятисоткілометрового розміру (що напевно траплялося в цей період неодноразово), вона буде стерилізована, але життя може зберегтися на вибитих з її поверхні осколках кори. Ці фрагменти на деякий час стають кращим місцем для життя, оскільки на самій планеті океани випаровуються, а вся поверхня огортається перегрітою сумішшю скельного і водяного пара з тиском у сотні атмосфер і температурою в тисячі градусів. Однак до моменту падіння фрагмента назад умови повертаються до нормальних. Таким чином, літопанспермія, можливо, дозволяє зберегти планетарну біосферу при найбільших зіткненнях.

Таблиця. Абсолютні та відносні дані чисельного моделювання орбіт фрагментів. Два ліві стовпчики з числами містять дані про викинуті з Землі осколки, два правих — з Марса. Видно, що в обох випадках більшість фрагментів залишалися на стійких орбітах (Orbit) або падали на свою «батьківську» планету. Істотна частина фрагментів покинула межі Сонячної системи. Також видно, що на Сонце і внутрішні планети потрапляє більше фрагментів, ніж на зовнішні. Таблиця з обговорюваної статті в Astrobiology

Перенесення матеріалу на інші планети займає більший час, ніж падіння на вихідну планету. Чим далі знаходиться «пункт призначення» від вихідної планети, тим менше частка перенесеного матеріалу, тим більше середній час перенесення і тим пізніше перші фрагменти досягають даної планети. Порівняно з іншими планетами найбільше матеріалу потрапляє з Землі на Венеру. Але це, звичайно ж, не може посприяти поширенню життя в Сонячній системі: всі фрагменти, що падають на її розігріту до 460 ° С поверхня, швидко стерилізуються. З Землі на Марс потрапляє в 30 разів менше матеріалу, ніж з Марса на Землю, але за всю історію Сонячної системи загальна маса перенесеного матеріалу може вимірюватися сотнями мільйонів тонн, а кількість фрагментів діаметром більше 3 м — сотнями тисяч тонн, чого більш ніж достатньо для перенесення спір мікроорганізмів.

Кілька відсотків від загальної кількості викинутих фрагментів або впаде на Сонце, або вилетить із Сонячної системи, а значна частка опиниться на стійких орбітах навколо Сонця (40% з Землі, 75% з Марса). Це відкриває вражаючі і захоплюючі можливості: десь серед астероїдного поясу знаходяться десятки мільярдів тонн речовини стародавньої земної кори, викинуті з неї астероїдними ударами, і, на відміну від скель на самій Землі, не порушених ерозією. Ідеальне сховище палеонтологічного матеріалу, мільйони законсервованих відбитків стародавніх епох, які тільки варто відшукати десь на геліоцентричних орбітах…

На планети-гіганти потрапляє значно менше матеріалу, ніж на внутрішні планети: на Юпітер впало 0,4% земного і 0,04% марсіанського матеріалу, на Сатурн — близько 0,007% і менше 0,002% відповідно. Звичайно, фрагмент, що падає на газовий гігант, безповоротно зникає десь в океані металевого водню, але якщо якась їх кількість падає на самі гіганти, то і повз теж щось пролітає, і деякі з них можуть потрапити на їхні супутники. Ймовірності цих подій, розраховані на основі моделювання, малі, але вони все одно дають істотну кількість матеріалу, якщо враховувати всі великі астероїдні удари за всю історію Сонячної системи. Наприклад, тільки падіння астероїда в кінці крейдяного періоду і утворення кратера Чіксулуб викликало викид приблизно 7· 1⁰¹1 кг матеріалу в космос, з яких 20 т могло впасти на Європу (супутник Юпітера). За останні 3,5 млрд років туди могло потрапити кілька тисяч тонн земного матеріалу, і в тому числі шість фрагментів розміром більше трьох метрів. Значна частка цього матеріалу, завдяки рухливості крижаної кори Європи, вже могла досягти дна її океану, на якому умови можуть бути схожі на умови в чорних курцях на дні земних океанів.

Напрямок викиду анітрохи не впливає на ймовірність і часи перенесення викинутих фрагментів, і, що менш очікувано, на них практично не впливає і швидкість викиду. Швидкість 0-2 км/с є малою добавкою до геліоцентричної швидкості вихідної планети (біля Землі це 30 км/с), і тому всі фрагменти опиняються на дуже схожих орбітах. Вплив орбітальних резонансів на них, а значить, і характерний час зміни ексцентриситету для цих орбіт приблизно однаковий. Однак чим повільніший фрагмент, тим ближче його орбіта до орбіти вихідної планети, тому для повільних фрагментів більша ймовірність падіння на вихідну планету, а для більш швидких — на інші тільки за рахунок того, що вони рідше падають назад.

Ефект Ярковського

Чи обговорюване дослідження досить повне? Симплектичні інтегратори, використані при моделюванні в згаданих роботах, добре враховують вплив гравітаційних обурень планет Сонячної системи, в тому числі резонанс орбітальної прецесії, який вносить основний внесок у зміну орбіт фрагментів, проте вони не враховують вплив негравітаційних факторів, в першу чергу — ефекту Ярковського. Більшість астероїдів обертаються навколо своєї осі. Також вони нагріваються Сонцем. За рахунок цього «вечірній» бік фрагмента, нагрітий «днем», завжди трохи тепліше «ранкової», і випромінює більше інфрачервоного випромінювання в космос, а оскільки будь-яке випромінювання переносить імпульс, астероїд відчуває вплив слабкої, але постійної реактивної сили в напрямку своєї «ранкової» сторони. Це прискорення назад пропорційно радіусу астероїда. Для стометрових тіл воно має порядок 10^-13 м/с² і здатне призвести до зміни орбітальної швидкості на сотні метрів в секунду за характерний час перенесення (десятки мільйонів років, тобто 10¹⁵ с), а для більш дрібних можуть призвести до непередбачуваних наслідків за десятки тисяч років.

Включати ефект Ярковського вкрай складно, оскільки тут багато залежить від фізики прогрівання астероїда, його форми і випромінювальної здатності, поточних параметрів орбіти, а також деяких інших факторів. Найкраще, чого можна домогтися з нинішнім рівнем розвитку обчислювальної техніки, — це визначити, при яких орбітальних параметрах (включаючи частоти прецесії) вплив на ці параметри малого додаткового прискорення компенсується, а при яких — ні.

Завдяки проведеному дослідженню з’являються доводи на користь можливості впливу літопанспермії на поширення життя в Сонячній системі, проте ще багато чого в цій темі залишається недослідженим.

Джерело: R. J. Worth, Steinn Sigurdsson, Cristopher H. House. Seeding Life on the Moons of Outer Planets via Lithopanspermia // Astrobiology. 2013. V. 13. P. 1155–1165. DOI:10.1089/ast.2013.1028.

Іван Лавренов